趙中琦，崔 鳴，張 新

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104；2.合肥學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，安徽 合肥 230601)

在智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或自動(dòng)化儀器中，當(dāng)被測(cè)信號(hào)的幅值變化范圍很大時(shí)，為了保證測(cè)量精度的一致性，經(jīng)常采取改變量程的辦法。當(dāng)改變量程時(shí)，測(cè)量放大器的增益也需要相應(yīng)地加以改變，這種切換通常是自動(dòng)進(jìn)行，即不需要人為改變電路連接，而是通過軟件實(shí)現(xiàn)放大器增益的改變。這種通過程序或指令控制而改變其增益等性能的放大器被稱為程控放大器。程控放大器可以通過單片機(jī)、嵌入式微處理器等來控制其增益的改變[1-3]。

普通放大器最大輸出電壓與運(yùn)算放大器的電源電壓相近，而在一些場(chǎng)合，如壓電致動(dòng)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、可編程控電源等電路中，要求的輸出電壓比運(yùn)算放大器的電源電壓高，因此需要設(shè)計(jì)升壓電路，使放大器可以輸出高電壓。結(jié)合以上兩種功能的高輸出電壓程控放大器，具有十分廣闊的應(yīng)用前景[4]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本研究設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)為基礎(chǔ)的可輸出高電壓的程控放大器，本設(shè)計(jì)以STM32F103微控制器為核心，實(shí)現(xiàn)增益帶寬分別可調(diào)的放大器。前期電壓放大部分采用壓控放大和功率輸出兩級(jí)放大，總增益可達(dá)到46 dB。然后經(jīng)過升壓器模塊抬升電壓，可使最大輸出電壓的峰峰值達(dá)到±50 V。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

微控制器STM32F103接收到鍵盤設(shè)置的信號(hào)后，通過D/A轉(zhuǎn)換模塊，產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的控制壓控放大器的電壓，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)增益和截止頻率可預(yù)置，其中增益步進(jìn)為1 dB。

利用頻率采樣模塊，將輸入信號(hào)的頻率采集出來并通過微控制器的定時(shí)器模塊計(jì)數(shù)，可得到當(dāng)前信號(hào)的頻率。利用真有效值轉(zhuǎn)換器，將放大信號(hào)的有效值提取出來，并通過微控制器的A/D轉(zhuǎn)換得到放大信號(hào)的有效值。然后將放大信號(hào)的有效值和頻率等信息通過LCD液晶器顯示出來[5-7]。

穩(wěn)壓模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電壓源。不同的芯片所需電壓不同，其中微控制器及其相關(guān)系統(tǒng)電壓為3.3 V，運(yùn)算放大器的電壓為±15 V，升壓模塊電路電壓為±55 V。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算

2.1 顯示和控制模塊

系統(tǒng)的核心控制器采用STM32F103RET6，該系列芯片采用高性能的ARMV7 Cortex-M3 版本內(nèi)核，工作頻率最高可達(dá)72 MHz，它內(nèi)置高128 K字節(jié)的FLASH和20 K字節(jié)的SRAM，同時(shí)具備豐富的增強(qiáng)I/O端口和外設(shè)：包含16通道12位的ADC、4個(gè)通用16位定時(shí)器、電機(jī)控制P W M 接 口等，可 以滿足整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要[8]。STM32F103與LCD和鍵盤的接口電路見圖2。LCD采用的是12864液晶屏，可顯示系統(tǒng)的預(yù)設(shè)增益和截止頻率以及當(dāng)前信號(hào)頻率等信息。鍵盤用來設(shè)定和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓增益和上限截止頻率，以及設(shè)定系統(tǒng)不同的工作模式。

圖2 顯示與控制模塊電路圖

2.2 壓控放大模塊

壓控放大模塊的電路圖如圖3所示。該模塊是由可變?cè)鲆娣糯笃鱒CA810構(gòu)成的一級(jí)放大電路。VCA810為TI公司的高帶寬可調(diào)增益壓控放大器，其特性包括：增益可調(diào)范圍-40～+40 dB；增益控制準(zhǔn)確度1.5 dB；差分輸入單端輸出；不變的增益帶寬35 MHz；高增益線性度±0.3 dB；增益控制帶寬25 MHz；低輸出DC誤差小于40 mV；

高輸出電流 60 mA；低工作電流24.8 mA。VCA810的工作原理是通過對(duì)其壓控引腳3施加直流電壓來控制增益的大小?？刂齐妷号c增益的函數(shù)關(guān)系式為：

圖3 壓控放大模塊電路圖

當(dāng)壓控引腳3的電壓Vc從0 V變化到-2 V時(shí)，增益從-40 dB線性地變化到+40 dB。

VCA810的控制電壓通過微控制器的12位D/A轉(zhuǎn)換模塊來產(chǎn)生，由于控制器不能產(chǎn)生負(fù)電壓，所以DA后需接一個(gè)G=-1的電壓反相器。

2.3 升壓器模塊

升壓器模塊包括電壓放大電路、升壓器電路和阻抗匹配電路三部分組成[4]。電壓放大電路可以進(jìn)一步將信號(hào)放大2倍。電壓放大器與升壓器相組合，從升壓器的輸出端子到放大器的輸入端子引入反饋，可以輸出比電壓放大器的電源電壓還要高的高電壓。升壓器電路是使用晶體管發(fā)射極接地電路，其輸出阻抗較高。為了使電路連接低阻抗負(fù)載時(shí)穩(wěn)定，在末端加入了射極跟隨器，使輸出阻抗變低。升壓模塊的示意圖如圖4所示，其詳細(xì)電路圖如圖5所示。下面分別進(jìn)行說明。

二級(jí)電壓放大電路由THS3091運(yùn)算放大器構(gòu)成，該運(yùn)放帶寬可達(dá)到200 MHz(G=2時(shí))，供電電壓為±15 V，可由穩(wěn)壓模塊提供電源。其放大倍數(shù)由電阻R3和R4決定，設(shè)定為2倍。至此整個(gè)系統(tǒng)的最大增益可達(dá)到46 dB。

升壓器部分采用NPN和PNP對(duì)稱的晶體管組成發(fā)射極接地的推挽放大電路。為使整個(gè)電路的最大輸出電壓達(dá)到±50 V，Tr1與Tr2的集電極與發(fā)射極之間的最大額定電壓UCEO為110 V。

阻抗匹配電路是利用推挽設(shè)計(jì)跟隨器實(shí)現(xiàn)的。Tr3與Tr4為晶體管，其集電極與發(fā)射極之間的最大額定電壓UCEO為110 V，發(fā)射極的偏置電流為5 mA 。通過計(jì)算選擇合適的電阻值，便可以實(shí)現(xiàn)電壓的放大與抬升。

圖5 升壓器模塊詳細(xì)電路圖

2.4 頻率采樣模塊

2.4.1 頻率測(cè)量

圖6 頻率采樣電路

所用頻率采樣電路見圖6所示，頻率采樣模塊主要由四個(gè)部分組成，輸入信號(hào)經(jīng)過一級(jí)放大以后，再通過直流偏置電路將電壓抬升，使電壓范圍可以滿足后級(jí)的比較電路。然后信號(hào)經(jīng)過比較器進(jìn)行整形以及通過SN74LVC1G14施密特反相器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，最終將頻率與輸入信號(hào)一致的方波信號(hào)送給單片機(jī)的定時(shí)器，進(jìn)行頻率測(cè)量。

2.4.2 上限截止頻率預(yù)設(shè)

詳見2.2節(jié)壓控放大模塊中的介紹，通過改變程控放大器VCA810的壓控引腳3的直流電壓值，來控制放大倍數(shù)，增益大小最低可以達(dá)到-40 dB。

在程序中，將用戶用鍵盤設(shè)定的截止頻率f1與測(cè)量頻率f2進(jìn)行比較，若f1

2.5 程序流程圖

系統(tǒng)基本要求操作軟件流程圖見圖8，采用模塊化操作，主要包括模式選擇、A/D轉(zhuǎn)換、控制按鍵、定時(shí)器測(cè)頻率、控制LCD顯示等[9]。

圖7 上限截止頻率預(yù)設(shè)示意圖

圖8 操作軟件流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試結(jié)果

3.1 測(cè)試設(shè)備

所需測(cè)試的設(shè)備及其型號(hào)見表1所示。

3.2 測(cè)試方法與測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2.1 測(cè)量系統(tǒng)上限截止頻率

1) 測(cè)試目的：測(cè)量系統(tǒng)在最大增益下的上限截止頻率。

2) 測(cè)試方法：首先將系統(tǒng)設(shè)定為最大增益46 dB，然后用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生固定幅值的正弦波，(峰峰值為200 mVpp)，不斷調(diào)整信號(hào)的頻率，用示波器觀察輸出信號(hào)大小。

3) 測(cè)試結(jié)果：系統(tǒng)在最大增益下的上限截止頻率在10 MHz左右，系統(tǒng)帶寬測(cè)試曲線見圖9。

3.2.2 測(cè)試系統(tǒng)輸出電壓峰值及增益衰減斜率

表1 測(cè)試設(shè)備

1) 測(cè)試目的：測(cè)試最大不失真輸出電壓峰峰值；預(yù)置放大器的上限截止頻率，測(cè)試信號(hào)大于上限截止頻率后，增益隨頻率的衰減斜率。

2) 測(cè)試結(jié)果：系統(tǒng)最大不失真輸出電壓峰峰值為51.6 V；通過鍵盤可以準(zhǔn)確地預(yù)置上限截止頻率，當(dāng)測(cè)試信號(hào)大于設(shè)定的上限截止頻率后，增益隨頻率的衰減斜率大于-40 dB/十倍頻程。

3.2.3 信號(hào)實(shí)際頻率與測(cè)量顯示頻率對(duì)比

1) 測(cè)試目的：對(duì)信號(hào)實(shí)際頻率與測(cè)量顯示頻率進(jìn)行對(duì)比。

2) 測(cè)試方法：用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生輸入信號(hào)，固定輸入信號(hào)的峰峰值為100 mVpp，不斷改變輸入信號(hào)頻率，記錄LCD顯示的信號(hào)頻率，并將二者進(jìn)行對(duì)比。

3) 測(cè)試結(jié)果：通過微控制器測(cè)量的信號(hào)頻率與實(shí)際信號(hào)頻率的誤差值最大為0.5%，測(cè)試結(jié)果見表2。

圖9 系統(tǒng)帶寬測(cè)試曲線圖

表2 系統(tǒng)頻率誤差測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種高輸出電壓的增益帶寬可調(diào)的程控放大器，該系統(tǒng)以STM32F103微控制器為核心，實(shí)現(xiàn)了增益和帶寬分別可調(diào)放大，可利用鍵盤設(shè)定系統(tǒng)的增益和截止頻率，并通過LCD實(shí)時(shí)顯示出來。 對(duì)STM32F103編程，通過D/A輸出電壓，然后利用電位器分壓控制壓控放大器VCA810來控制實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)增益在-34～46 dB范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并能夠通過鍵盤預(yù)設(shè)，步進(jìn)為1 dB。同時(shí)，微控制器結(jié)合頻率采樣模塊，實(shí)現(xiàn)了任意設(shè)定系統(tǒng)的上限截止頻率的功能。結(jié)合升壓器電路，最大輸出電壓峰峰值可達(dá)到±50 V，可應(yīng)用在需要高輸出電壓的場(chǎng)合。整個(gè)系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，測(cè)試誤差小，具有較高的實(shí)用價(jià)值。